建筑3D打印技术及应用场景

建筑3D 打印最早起源于1997 年美国学者Joseph Pegna 提出的一种适用于水泥材料逐层累加并选择性凝固的自由形态构件的建造方法，集成了计算机技术、数控技术和材料成型技术等，是一种新型的数字化建造技术。它通过计算机构建建筑物三维数据模型，采用材料分层叠加的基本原理，将三维建筑模型进行切片处理和离散，分解成具有一定厚度的STL 文件（包含二维轮廓信息），在对缺失的模型数据进行修复后，生成正确的数控程序，以指导机械装置按照指定路径运动，最终实现建筑物或构筑物的自动建造。与其他3D 打印相比，建筑3D 打印需要借助“超大型的三维打印机械”，使用一种特殊的水泥砂浆或混凝土材料作为“油墨”来实现建筑实体的打印，这为建筑行业开辟了一个全新的可能性领域。目前，在建筑领域中主流的打印技术有D 型工艺（D-Shape）技术、轮廓工艺（Contour Crafting）和3D 混凝土打印（Concrete Printing）技术。

建筑3D 打印技术符合建筑工业化、信息化的发展理念及目标，它通过运用现代科学技术和管理方法实现建筑行业信息化设计、装配化施工、绿色化发展，对更新升级全产业链、推动建筑产业现代化发展具有重大作用。与传统的建造技术相比，建筑3D 打印技术的应用能促使建筑行业的转型升级，解决建筑资源浪费、建筑结构失稳、施工过程不安全和建筑产品结构限制等问题。

（1）基于混凝土分层喷挤叠加的增材建造

混凝土是当今世界上用量最大、使用范围最广的工程材料，但由于其在使用过程中存在高耗能、高污染等问题，制约着混凝土材料的发展。而将3D 打印技术与混凝土建造工艺相融合，能够有效地解决这一问题，故3D 打印混凝土建造工艺应运而生。该工艺以混凝土及其他黏合剂等为打印“油墨”，通过层层打印、堆积形成三维实体，主要由“轮廓工艺”“轮廓工艺—带缆索系统”和“3D 混凝土打印”构成。具体介绍如下：

①轮廓工艺。轮廓工艺是由美国加州大学Behrokh Khoshnevis 教授于2001 年提出的，这项工艺首先通过喷嘴在指定位置喷出混凝土材料进行分层堆积来构建外部轮廓，再向内部填充相应材料形成混凝土构件。

②轮廓工艺—带缆索系统。2007 年美国俄亥俄大学Paul 等在轮廓工艺的基础上，以刚框架作为机械骨架，利用12 条缆索控制终端喷嘴的三维运动，研发了轮廓工艺—带缆索系统。

③3D 混凝土打印。英国拉夫堡大学创新和建筑研究中心Lim 等人基于混凝土喷挤堆积成型工艺，于2008 年提出了3D 混凝土打印。(www.xing528.com)

与传统混凝土建造工艺相比，3D 打印混凝土建造工艺无须模板便可直接成型，打印过程几乎无须人力，且具有绿色环保、节约材料和建造效率高等优势。2014 年，美国建筑师Andrey Rudenko 首先利用3D 打印混凝土工艺制造混凝土城堡的城墙和塔顶，然后将其组装成型，最后成为世界上第一座使用3D 打印建造的城堡。2019 年，一座规模较大的混凝土3D 打印步行桥在上海宝山智慧湾制造完成，该步行桥由清华大学建筑学院—中南置地数字建筑研究中心徐卫国教授团队运用自主研发的机器臂3D 打印混凝土技术建造而成，整个工程运用了两台机器臂3D 打印系统进行打印，共花费450 h 打印完成全部混凝土构件，与同等规模的桥梁相比，它的造价只有普通桥梁造价的2 / 3。

（2）基于砂石粉末分层黏合叠加的增材建造

英国Monolite 公司的意大利工程师Enrico Dini 在2007 年提出了一种D-Shape 的建筑3D 打印技术，该技术是以砂砾粉末为原料，通过喷挤黏结剂来选择性地逐层胶凝硬化，从而实现三维实体的堆积成型。2014 年，荷兰阿姆斯特丹建筑大学的建筑设计师Janjaap Ruijssenaars 深受莫比乌斯环的启发，并与数学家、艺术家Rinus Roelofs、发明家Enrico Dini 合作，共同设计并建造了世界上首座3D 打印建筑“Landscape House”，该建筑是利用D-Shape 技术逐块打印出来的。其先是采用砂石和无机黏合剂混合材料打印楼板和天花板轮廓，再在其中填充钢纤维混凝土以保证强度。2012 年以来，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）的Michael 等人深入研究了基于砂石粉末分层黏合叠加的增材建造。该团队以砂石粉末为材料，通过数字算法建模、分块三维打印和垒砌组装等过程，建造了一个被称为数字异形体（Digital Grotesque）的Grotesque 构筑物。

（3）基于大型机械臂驱动的材料三维建造

顾名思义，基于大型机械臂驱动的材料三维建造就是以大型机械臂为数字设计建造主导设备，通过运用三维空间结构的构成方式增强材料本身的力学特性，在空间中实现三维自由绘制，该建造逻辑突破了分层叠加的增材过程，是一种材料的三维空间建构。2012 年，德国斯图加特大学Archim Menges 教授团队利用计算数学设计和机器臂自动操作建造了一个展亭。该展亭使用碳纤维材料及设定的编织工艺，在精准控制机器人与自动旋转模具的协同工作下，编织了一个可自支撑的壳体结构。2017 年，同济大学建筑与城市规划学院袁烽教授团队以改性塑料为打印原材料，运用7 轴机器臂装备进行24 h 不间断工作，并借助空间打印技术，最终成功建造出了一座长11 m、宽11 m、高约6 m 的“云亭”。